Design methods and geometric modelling of scaffolds for bone tissue engineering

Every year, thousand of surgical treatments are performed in order to fix up or completely substitute, where possible, organs or tissues affected by degenerative diseases. Patients with these kind of illnesses stay long times waiting for a donor that could replace, in a short time, the damaged organ or the tissue. The lack of biological alternates, related to conventional surgical treatments as autografts, allografts, e xenografts, led the researchers belonging to different areas to collaborate to find out innovative solutions. This research brought to a new discipline able to merge molecular biology, biomaterial, engineering, biomechanics and, recently, design and architecture knowledges. This discipline is named Tissue Engineering (TE) and it represents a step forward towards the substitutive or regenerative medicine. One of the major challenge of the TE is to design and develop, using a biomimetic approach, an artificial 3D anatomy scaffold, suitable for cells adhesion that are able to proliferate and differentiate themselves as consequence of the biological and biophysical stimulus offered by the specific tissue to be replaced. Nowadays, powerful instruments allow to perform analysis day by day more accurateand defined on patients that need more precise diagnosis and treatments.Starting from patient specific information provided by TC (Computed Tomography) microCT and MRI(Magnetic Resonance Imaging), an image-based approach can be performed in order to reconstruct the site to be replaced. With the aid of the recent Additive Manufacturing techniques that allow to print tridimensional objects with sub millimetric precision, it is now possible to practice an almost complete control of the parametrical characteristics of the scaffold: this is the way to achieve a correct cellular regeneration. In this work, we focalize the attention on a branch of TE known as Bone TE, whose the bone is main subject. Bone TE combines osteoconductive and morphological aspects of the scaffold, whose main properties are pore diameter, structure porosity and interconnectivity. The realization of the ideal values of these parameters represents the main goal of this work: here we'll a create simple and interactive biomimetic design process based on 3D CAD modeling and generative algorithmsthat provide a way to control the main properties and to create a structure morphologically similar to the cancellous bone. Two different typologies of scaffold will be compared: the first is based on Triply Periodic MinimalSurface (T.P.M.S.) whose basic crystalline geometries are nowadays used for Bone TE scaffolding; the second is based on using Voronoi's diagrams and they are more often used in the design of decorations and jewellery for their capacity to decompose and tasselate a volumetric space using an heterogeneous spatial distribution (often frequent in nature). In this work, we will show how to manipulate the main properties (pore diameter, structure porosity and interconnectivity) of the design TE oriented scaffolding using the implementation of generative algorithms: "bringing back the nature to the nature".

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

Modelling the size distribution of cosmic voids

The Standard Cosmological Model is generally accepted by the scientific community, there are still an amount of unresolved issues. From the observable characteristics of the structures in the Universe,it should be possible to impose constraints on the cosmological parameters. Cosmic Voids (CV) are a major component of the LSS and have been shown to possess great potential for constraining DE and testing theories of gravity. But a gap between CV observations and theory still persists. A theoretical model for void statistical distribution as a function of size exists (SvdW) However, the SvdW model has been unsuccesful in reproducing the results obtained from cosmological simulations. This undermines the possibility of using voids as cosmological probes. The goal of our thesis work is to cover the gap between theoretical predictions and measured distributions of cosmic voids. We develop an algorithm to identify voids in simulations,consistently with theory. We inspecting the possibilities offered by a recently proposed refinement of the SvdW (the Vdn model, Jennings et al., 2013). Comparing void catalogues to theory, we validate the Vdn model, finding that it is reliable over a large range of radii, at all the redshifts considered and for all the cosmological models inspected. We have then searched for a size function model for voids identified in a distribution of biased tracers. We find that, naively applying the same procedure used for the unbiased tracers to a halo mock distribution does not provide success- full results, suggesting that the Vdn model requires to be reconsidered when dealing with biased samples. Thus, we test two alternative exten- sions of the model and find that two scaling relations exist: both the Dark Matter void radii and the underlying Dark Matter density contrast scale with the halo-defined void radii. We use these findings to develop a semi-analytical model which gives promising results.

Historic Building Information Modelling: il caso della Rocca di San Felice sul Panaro

Il Building Information Modelling nasce da un processo di integrazione sostenibile, basato sull'interoperabilità dei processi. La caratteristica vincente è la circolarietà delle informazioni: ogni informazione è gestita come parametro di un ricco e complesso modello parametrico dell'edificio; la geometria, i materiali, i costi ed i tempi sono gestiti come parametri internamente collegati e quindi variabili di uno stesso sistema. Nel caso di beni storici, la maggior parte degli edifici possiede vincoli intrinseci che influenzano tali parametri. I materiali non possono essere scelti liberamente, in quanto parte di un organismo esistente, la geometria dell'edificio è definita e difficilmente sarà variata negli interventi di recupero. Nella presente tesi si applica il metodo CLOUD2FEM al mondo dell'Historic Building Information Modelling (HBIM) concentrandosi sullo studio della Rocca Estense di San Felice sul Panaro, colpita dal sisma dell'Emilia e attualmente inagibile. La procedura CLOUD2FEM permette di trasformare le informazioni ricavate dal laser scanner in mesh chiuse e regolari, generando in modo semi-automatico un modello FEM 3D. Nel caso di costruzioni complesse, la cui geometria non può essere ricondotta a modelli semplificati, è necessario valutare l'attendibilità del modello strutturale. Nel caso in esame, la validazione è stata condotta mediante il confronto del danno rilevato con il danno simulato. La flessibilità del modello permette di aggiungere dettagli inizialmente non rilevati: ogni informazione è inserita nel modello attraverso un parametro differente, al fine di eseguire analisi sullo stato di fatto e su futuri stati di progetto con semplice aggiornamento dei parametri.